一种非开挖钻机的钻头及该钻头的定位方法

摘要

本发明公开了一种非开挖钻机的钻头，所述钻头内设置有探棒，所述探棒内设置有天线，其特征在于，所述天线具有同轴设置的至少两组并且发射频率互不相同。还公开了一种上述钻头的定位方法。通过在钻头中设置两组天线，根据平移关系，两组天线的两个前点或两个后点的距离与天线的距离相同，因此在钻头钻进的整个施工过程中，操作人员只需要移动一段较小的距离(两组天线之间的距离)就可以确定地下探棒的轴线方向，移动距离少，操作起来更方便、快捷而且安全。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻具，尤其是一种非开挖钻机的钻头，以及该钻头的定位方法。

背景技术

随着城市建设的大规模发展，需要在城市中铺设截污管或能源(液化气、天然气等) 供应管，较常用的方法是开挖槽来埋管埋线，这会造成环境污染，引起交通堵塞，并且 存在施工安全隐患。

因此，目前也已开发使用了非开挖铺管技术，即一种利用岩土钻掘手段，在路面不 挖沟、不破坏大面积地表层的情况下，铺设、修复和更换地下管线的施工技术。使用非 开挖技术具有周期短、成本低、污染少、安全性能好等优点，而且不会影响正常的交通 秩序。

非开挖铺管技术应用较广的为水平导向前进法，其是利用非开挖导向仪引导装有钻 头的钻杆进行定向前进来实现。非开挖导向仪包括提供钻头实时的工况-深度、倾角以 及钟点方向，让地面的操作人员实时掌握钻孔轨迹以便对后续的操作进行及时的修正， 以保证按既定的路线轨迹精确定向，完成非开挖铺管。由此可见，非开挖铺管技术对于 非开挖导向仪的精确测量有着很高的要求。

非开挖导向仪一般由地下探棒，地面接收仪，远程显示器三个部分组成。传统的非 开挖导向仪是利用检测地下探棒的天线发射电磁波来进行定位的。

图1所示为天线辐射电磁场在垂直面上的分布图，导向仪的地下探棒，其信号发射 天线1’发射的电磁波形状在任一过天线1’轴线的平面上具有如图1所示的形状。在其每 一根电磁感应线上均存在三个特殊位置点，如图1中所示的A1、A2和探棒正上方的m 点。其中A1和A2点的磁场方向P1和P2与天线1’轴线O1O2方向垂直(假设A1处的 磁场方向垂直向下，则A2处的磁场方向垂直向上)，两点的连线与轴线O1O2平行。在 工程上一般将位于钻头前方的特殊位置点（磁场方向垂直向下，假设为A1）称为前点， 将位于钻头后方的特殊位置点（磁场方向垂直向上，假设为A2）称为后点。K线为将 磁感应线上的一系列前点连接得到的线，m点位于探棒正上方，其磁场方向与天线1’ 轴线O1O2方向平行。

传统非开挖导向仪的定位方法是首先利用地面的接收仪2’找到探棒轴线位置的正 上方，然后通过接收仪2’的接收天线分别找到前点A1和后点A2，再根据前点、后点 A1A2的连线方向获得探棒轴线的指向，从而知道钻头的前进方向。利用接收仪2’沿着 前点、后点A1A2的连线方向寻找到电磁场方向与探棒轴线方向平行的m点，则m点 的正下方为探棒的位置，接收天线根据接收到的信号强度可以计算出探棒与接收仪2’ 的距离从而获得钻头在地下的深度。远程显示器3’同步显示接收仪2’计算出的探棒的空 间位置信息，供钻机操作人员进行正确的导向操作。具体的定位方法，可以参见申请号 为200410046887.4的中国专利申请公开的一种水平定向钻进导向定位方法及定位仪。

从图1中可以看出，随着与探棒轴线垂直距离的增加，需要寻找的前点A1与后点 A2之间的距离也快速增加。在钻头钻进的过程中，操作人员需要不断寻找前点A1与后 点A2来实时定位钻头的前进方向，因此当探棒在地下较深位置时，来回往复寻找前后 点定位的方法将会耗费大量时间，尤其是当钻头位于马路中央的下方时，需要操作人员 多次往返于马路两边，在应用过程中存在极大安全隐患。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术存在的问题，提供一种便于 定位的非开挖钻机的钻头。

本发明所要解决的第二个技术问题是上述这种钻头的定位方法。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种非开挖钻机的钻头，所 述钻头内设置有探棒，所述探棒内设置有天线，其特征在于，所述天线具有同轴设置的 至少两组并且发射频率互不相同。

根据本发明的一个实施例，天线的设置方式为，两组天线设于同一根探棒内，两组 天线位于探棒的同侧或两侧，由此安装维护方便，装置结构少，出现故障的概率小。

根据本发明的另一个实施例，天线的设置方式为，所述探棒具有同轴设置的两根， 每一根探棒内设置一组天线，由此安装灵活，可以根据工程实际情况确定两天线的距离， 使测量精度达到最佳效果（当天线在地下位置较深时，如果两天线距离仍然较近，根据 两点（实际测量的都是两个小区域）间确定的直线与实际的位置可能偏差较大。因此当 天线在地下较浅位置，可以让两天线距离适当减少，当在地下较深位置可以增加两天线 距离）。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种如上所述的钻头的定位 方法，所述定位方法采用非开挖导向仪，其特征在于，包括如下步骤：

1)利用导向仪地面的接收仪首先寻找到两组天线中其中一组天线发射的磁感应线 上磁场方向垂直的第一点；

2)利用所述接收仪在上述第一点附近寻找另一组天线发射的磁感应线上磁场方向 一致的第二点，第一点和第二点之间的距离与两组天线的中心点距离相同；

3)通过上述第一点和第二点之间的连线方向确定所述探棒轴线的方向；

4)利用所述接收仪在上述第一点和第二点附近寻找磁场方向与所述轴线平行的第 三点，所述第三点的正下方为所述探棒的位置，从而获得钻头在地下的深度。

如果接收仪在钻头前方某一位置，则第一点和第二点为前点，所述第一点的磁场方 向垂直向上。

如果接收仪在钻头后方某一位置，则第一点和第二点为后点，所述第一点的磁场方 向垂直向下。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过在钻头中设置两组天线，根据平移关系， 两组天线的两个前点或两个后点的距离与天线的距离相同，因此在钻头钻进的整个施工 过程中，操作人员只需要移动一段较小的距离(两组天线之间的距离)就可以确定地下探 棒的轴线方向，移动距离少，操作起来更方便、快捷而且安全。

附图说明

图1为现有技术的导向仪定位原理图；

图2-1为本发明的钻头的第一个实施例的示意图；

图2-2为本发明的钻头的第二个实施例的示意图；

图2-3为本发明的钻头的第三个实施例的示意图；

图3为本发明的钻头定位原理图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

参见图2-1～图2-3，一种非开挖钻机的钻头，其内设置有两组发射频率不同的天线， 第一天线1和第二天线2。如图2-1所示，钻头内设置有非开挖导向仪的探棒3，两组 天线同轴并列的设置在钻头内的探棒3内的一侧，电池仓4则位于探棒3的另一个末端； 如图2-2所示，与图2-1不同之处在于，电池仓4位于两组天线之间；如图2-3所示， 钻头内设有两根探棒，第一探棒31和第二探棒32，其中第一天线1位于第一探棒31 内，第二天线2位于第二探棒32内，第一探棒31和第二探棒32同轴设置，两组天线 也保持同轴。

由于设置了两组频率不同的天线，两组天线处在同一轴线上且距离较近，两组天线 的中心距离为s，则两组天线发射的信号在空间中的分布也是沿轴线平移距离s。根据平 移关系，第一天线1的磁场方向垂直向下的前点A和磁场方向垂直向上的后点B、第二 天线2的磁场方向垂直向下的前点C和磁场方向垂直向上的后点D也处于同一直线b 上，且该直线b与探棒的轴线O1O2(有两根探棒时，轴线也只有一条)相互平行，参见 图3，本发明中所指的垂直是指磁场方向与探棒的轴向垂直。

根据上述位置关系，只需要单独寻找到以上四个特殊位置点中的两个点(两个前点 或两个后点)就可以根据两点间的连线确定探棒的轴线方向，此后可根据现有的技术知 道钻头的前进方向，确定钻头在地下的深度。

设置两组天线后，采用非开挖导向仪对钻头的定位方法为：

若非开挖导向仪的地面接收仪处在钻头前方某一位置，则

1)利用接收仪首先寻找到第一天线1的前点A(或第二天线2的前点C)，在地面做 好标记；

2)然后在附近寻找到第二天线2的前点C(或第一天线1的前点A)，在地面做好标 记；

3)连接两个前点的直线所指向的方向即为探棒轴线的方向；

4)找到磁场方向与该直线方向平行的点，该点的正下方为探棒的位置(两根探棒时， 是否因为两者之间距离很近，可视为同一个位置)，接收天线根据接收到的信号强度可 以计算出探棒与接收仪的距离从而获得钻头在地下的深度。

相应地，若地面接收仪器处在钻头后方某一位置，则

1)利用接收仪首先寻找到第一天线1的后点B(或第二天线2的后点D)，在地面做 好标记；

2)然后利用接收仪在附近寻找到第二天线2的后点D(或第一天线1的后点B)，在 地面做好标记；

3)两个后点间的连线方向就是钻头的轴线方向；

4)找到磁场方向与该直线方向平行的点，该点的正下方为探棒的位置，接收天线根 据接收到的信号强度可以计算出探棒与接收仪的距离从而获得钻头在地下的深度。